(57)【要約】【課題】拡散層内の水が迅速に排水されるとともに拡散層内における含水率の均一性に優れ、高い出力を有する燃料電池の電極を提供する【解決手段】本発明の燃料電池の電極は、拡散層１３とセパレータ１６とを備えている。拡散層１３にはセパレータ１６側に向かって開口し、拡散層内１３における高含水率部の水を低含水率部へ案内する案内溝１３ａが設けられている【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
拡散層と、該拡散層の一面側に積層されてガス流路を形成するセパレータとを備える燃料電池の電極において、
前記拡散層には前記セパレータ側に向かって開口し、該拡散層内における含水率分布を均一化する案内溝が設けられていることを特徴とする燃料電池の電極。
【請求項２】
前記案内溝は前記該拡散層内における高含水率部の水を低含水率部へ案内することを特徴とする請求項１記載の燃料電池の電極。
【請求項３】
前記案内溝と前記ガス流路との交差角を制御することにより、該案内溝が高含水率部の水を低含水率部へ案内することを特徴とする請求項２記載の燃料電池の電極。
【請求項４】
前記案内溝は、前記ガス流路を流れる反応ガスによって重力に逆らう方向に水を案内することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池の電極。
【請求項５】
前記案内溝と前記ガス流路との交差角を制御して配置することにより、高含水率部における該案内溝内の水の該ガス流路への排水速度が、低含水率部における該案内溝内の水の該ガス流路への排水速度よりも速くされていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の電極。
【請求項６】
前記案内溝は、高含水率の箇所に密に設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃料電池の電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の拡散層内の水分布の均一性及び排水性に優れた燃料電池の電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、高分子電解質からなる膜が触媒層で挟まれ、さらにその触媒層の外側を集電及びガス拡散の役割を果たす拡散層で挟まれた膜−電極接合体（以下「ＭＥＡ」と称する）を備えている。そして、ＭＥＡの両面はガス流路を形成するセパレータのリブで挟持されて単位セルが構成され、さらにこの単位セルが複数積層されたスタックが形成されている。
【０００３】
この固体高分子型燃料電池では以下の電気化学反応が行われる。
アノード側：Ｈ２  →  ２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード側：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ
全反応    ：Ｈ２＋１／２Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ
すなわち、水素がアノード側のセパレータのガス流路に供給され、拡散層を通って触媒層に供給される。そして、触媒層での電気化学反応によって水素が酸化されてプロトンと電子とが生成する。こうして生成したプロトンは、オキソニウムイオンの形態で水を引き連れながら触媒層および高分子固体電解質内を移動し、カソード側に達する。
一方、カソード側に供給された酸素は、オキソニウムイオンと結合し、水が生成する。
こうして、固体高分子型燃料電池の内部における電気化学反応によって生じた水は、セパレータのガス流路を流れている反応ガスとともに排出される。
【０００４】
しかし、拡散層内の水の排出速度が不十分な場合には、拡散層内に水が蓄積されて水浸しの状態となり（フラッディング現象）、反応ガスの拡散が妨げられて燃料電池の出力が低下する。この現象は、水の生成量が多くなる高出力下での駆動時において特に起こりやすいため、燃料電池の高出力化を阻む原因となる。
【０００５】
このような拡散層における水の蓄積による不具合を防止するため、拡散層に排水用の溝を設け、拡散層内の水の排出を促進させる燃料電池の電極の提案がなされている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００４−３２７３５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、燃料電池の拡散層における含水率は均一ではなく、場所により乾燥しがちなところや、逆に、水分が溜まりやすいところがある。例えば、ガス流路内を流れる反応ガスの流速の差により、反応ガスが速く流れる箇所では乾燥しやすく、反応ガスの流れが遅い箇所では含水率が高くなりがちとなる。また、ＭＥＡの面方向が重力の方向に置かれた燃料電池では、拡散層内の水が重力によって下方に移動することにより、拡散層の下方において水が溜まりやすい傾向となる。
【０００７】
これに対し、上記従来の拡散層に溝を設けた燃料電池用の電極では、場所による含水率の違いに対して考慮がなされておらず、単に拡散層からの排水の促進だけを目的としていた。このため、場所によって最適含水率よりも高くなったり、低くなったりするおそれがあり、ＭＥＡの拡散層の全面において最適含水率での稼動は困難であった。このため、本来燃料電池が有している発電能力を充分に発揮することができなかった。
【０００８】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、拡散層内の水が迅速に排水されるとともに、拡散層内における含水率の均一性に優れ、高い出力を有する燃料電池の電極を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料電池の電極の第１の局面は、拡散層と、該拡散層の一面側に積層されてガス流路を形成するセパレータとを備える燃料電池の電極において、前記拡散層には前記セパレータ側に向かって開口し、該拡散層内における含水率分布を均一化する案内溝が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の燃料電池の電極の第１の局面では、拡散層に設けられた案内溝によって拡散層内の含水率分布が均一化されるため、ＭＥＡの拡散層の全面において適切な含水率とすることが可能となる。このため、本来燃料電池が有する発電能力を充分に発揮することができ、フラッディング現象も起こり難くなる。
【００１１】
本発明の燃料電池の電極の第２の局面は、前記案内溝は前記該拡散層内における高含水率部の水を低含水率部へ案内することとした。かかる電極であれば、案内溝に溜まった水がガス流路を通って排水が促進されるだけでなく、拡散層内における高含水率部の水が低含水率部へ案内するため、拡散層内における含水率分布を確実に均一化することができる。
【００１２】
本発明の燃料電池の電極の第３の局面では、案内溝とガス流路との交差角を制御することにより、案内溝が高含水率部の水を低含水率部へ案内することとした。
案内溝に溜まった水の案内溝に沿った移動速度は、案内溝とガス流路との交差角に深く関わっており、角度が小さいほど速くなり、直角に近いほど遅くなる。このため、案内溝とガス流路との交差角を場所によって適宜制御して設けることにより、拡散層内の含水率分布をさらに均一化することができる。
【００１３】
本発明の燃料電池の電極の第４の局面では、案内溝は、ガス流路を流れる反応ガスによって重力に逆らう方向に水を案内することとした。こうであれば、例えばＭＥＡの面方向が垂直方向に置かれた燃料電池のように、拡散層内の水が重力方向に移動することによって拡散層の含水率分布が不均一となりがちな場合であっても、均一化することができる。
【００１４】
本発明の燃料電池の電極の第５の局面では、前記案内溝と前記ガス流路との交差角を制御して配置することにより、高含水率部における該案内溝内の水の該ガス流路への排水速度が、低含水率部における該案内溝内の水の該ガス流路への排水速度よりも速くされていることとした。
上記第２〜第４の局面では、案内溝に沿って水を移動させることにより、拡散層内の含水率分布を均一化を図るものであるのに対し、第５の局面では案内溝からガス流路への排水速度を制御することにより、拡散層内の含水率分布の均一化を図るものである。すなわち、案内溝からガス流路への排水速度は、案内溝とガス流路との交差角が小さいほど遅く、直角に近いほど速くなる。このため、この交差角を適宜制御して案内溝を配置すれば、拡散層内の含水率分布をさらに均一なものとすることができる。
【００１５】
本発明の燃料電池の電極の第６の局面では、案内溝は、高含水率の箇所に密に設けられていることとした。こうであれば、高含水率の箇所に密に設けられ案内溝から、より多くの水が案内溝に沿って低含水率部へ移動したり、ガス流路へ移動して排水されたりして、拡散層内の含水率分布をさらに均一化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
拡散層の製造方法
本発明の燃料電池の電極で用いられる拡散層としては、例えばカーボン繊維の不織布やカーボンペーパー等の基材を用いることができる。
また、ガス透過性を付与するためのフルオロカーボン系ポリマーと、導電性を付与するためのカーボン粉末とを混合したカーボン粉末含有ペーストをこれらの基材の表面に塗り込み、マイクロポーラス層（以下「ＭＰＬ」と称す）を形成させた拡散層を用いることもできる。ＭＰＬを形成させるために用いるフルオロカーボン系ポリマーとしては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン／パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、エチレン／テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、エチレン／クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）等が挙げられる。
【００１７】
案内溝の形成方法
拡散層への案内溝の形成方法については、特に限定はないが、例えば上記のようにして作製した拡散層の表面から一定の深さまで切断機等によって所定の案内溝を形成した後、所定の寸法に切断することにより、案内溝を有する拡散層とすることができる。
また、溝を形成するための別の方法として、上記ＭＰＬが形成された拡散層の場合には、次のようにしてＭＰＬに案内溝を形成させることもできる。すなわち、図１に示すように、カーボンペーパーやカーボン繊維不織布等の基材１上に、案内溝形成のためのマスキング２を施し、その上からカーボン粉末含有ペーストを噴霧し、加温、乾燥させてＭＰＬ３を形成させる。そして、マスキング２を外すことにより、案内溝３ａがＭＰＬ３に形成された拡散層を得る。
【００１８】
以下、本発明をさらに具体化した実施例について詳述する。
（実施例１）
実施例１は、燃料電池単位セルの幅方向（すなわち反応ガスの流れ方向に対して垂直な方向）中央部の拡散層の含水率が、端部の含水率より小さくなる場合において、含水率を均一化するための電極である。このような含水率の不均一な分布は、反応ガスの流速が中央で速く、端で遅い場合に生じる。
【００１９】
この燃料電池の電極は、図２及び図３に示す燃料電池の単位セル１０のカソード側の電極に適用されている。この単位セル１０は、図３に示すように、高分子電解質膜１１の両面にカソード側触媒層１２ａ及びアノード側触媒層１２ｂが積層されており、さらにその外側がカソード側拡散層１３及びアノード側拡散層１４で挟まれ、ＭＥＡ１５を構成している。そして、さらにＭＥＡ１５の両側からセパレータ１６、１７のリブ１６ａ、１７ａで圧接されており、これによりセパレータ１６、１７とカソード側触媒層１２ａ及びアノード側触媒層１２ｂとの間にガス流路１６ｂ、１７ｂが形成されている。
カソード側拡散層１３には、セパレータ１６側に開口し、ガス流路１６ａの幅方向の中央部分で流れ方向に向かってくの字に屈曲する案内溝１３ａが等間隔で並んで形成されている（図２参照）。
【００２０】
以上のように構成された単位セル１０に反応ガスを供給した場合、図３に示すカソード側拡散層１３では電極反応によって生じた水が蓄積する。蓄積された水はガス流路１６ａ内を流れる空気によって排出されるが、その流速は幅方向における中央部が端部よりも速いため、中央部の含水率が端部の含水率よりも小さくなる傾向となる。
ところが、図２に示すように、カソード側拡散層１３には案内溝１３ａがガス流路１６ａの幅方向の中央部分で流れ方向に向かってくの字に屈曲して設けられているため、拡散層１３の幅方向の端部の水が案内溝１３ａに滲み出し、空気の流れによって押されながら案内溝１３ａに沿ってガス流路１６ａの幅方向の中央に案内されることとなる。すなわち、案内溝１３ａは、拡散層１３内における高含水率部の水を低含水率部へ案内し、拡散層１３内の含水率分布が均一化される。このため、拡散層１３の全面において適切な含水率とすることが可能となり、本来燃料電池が有する発電能力を充分に発揮することができ、フラッディング現象も起こり難くなる。
【００２１】
なお、案内溝１３ａに滲み出した水が案内溝１３ａに沿って案内される流量は、ガス流路１６ａと案内溝１３ａとの交差角に関係するため、その交差角を適宜調整することにより、拡散層１３内の含水率の平均化をより精密に行うこともできる。
【００２２】
（実施例２）
実施例２は、実施例１と同様、燃料電池単位セルの幅方向の中央部の拡散層の含水率が、端部の含水率より小さくなる場合において、含水率を均一化するための電極である。
この電極では、図４に示すように、カソード側拡散層２３に、空気の流れる方向に向かって凸とされた円弧状の案内溝２３ａが等間隔で並んで形成されている。他の構成は実施例１と同様であり、説明を省略する。
【００２３】
この燃料電池の電極では、実施例１と同様、案内溝２３ａに滲み出した水が拡散層２３の幅方向の端から、水の排除が迅速になされる中央に向かって水が案内されることとなる。このため、拡散層２３内の含水率分布が均一化され、実施例１と同様の効果が得られる。
【００２４】
（実施例３）
実施例３も、実施例１と同様、燃料電池単位セルの幅方向の中央部の拡散層の含水率が、端部の含水率より小さくなる場合において、含水率を均一化するための電極である。
この電極では、図５に示すように、カソード側拡散層３３の幅方向の両端から空気の流れる方向に向かって斜めに方向に途中まで延在する案内溝３３ａが等間隔で並んで形成されている。他の構成は実施例１と同様であり、説明を省略する。
【００２５】
この燃料電池の電極では、案内溝３３ａに滲み出した水が拡散層３３の幅方向の端から、水の排除が迅速になされる中央に向かって水が案内されることとなる。このため、拡散層３３内の含水率分布が均一化される。
【００２６】
（実施例４）
実施例４も、実施例１と同様、燃料電池単位セルの幅方向の中央部の拡散層の含水率が、端部の含水率より小さくなる場合において、含水率を均一化するための電極である。
この電極では、図６に示すように、カソード側拡散層４３に空気の流れる方向に向かって凸とされた台形状の案内溝４３ａが等間隔で並んで形成されている。他の構成は実施例１と同様であり、説明を省略する。
【００２７】
この燃料電池の電極では、カソード側拡散層４３の幅方向の端部分において案内溝４３ａに滲み出した水が、案内溝４３ａに沿って中央部分に移動し、案内溝４３ａのプラトーな部分に蓄積される。このため、水の排除が迅速になされる幅方向の中央部に水が集まり、拡散層４３内の含水率分布が均一化される。
【００２８】
（実施例５）
実施例５も、実施例１と同様、燃料電池単位セルの幅方向の中央部の拡散層の含水率が、端部の含水率より小さくなる場合において、含水率を均一化するための電極である。
この電極では、図７に示すように、カソード側拡散層５３に、空気の流れる方向に向かって凸とされ、中央部ほど険しい山型とされた案内溝５３ａが等間隔で並んで形成されている。他の構成は実施例１と同様であり、説明を省略する。
【００２９】
この燃料電池の電極では、カソード側拡散層５３の幅方向の端部分において案内溝５３ａに滲み出した水がガス流路に移動し、空気の流れによって下流側に排出される。ここで、案内溝５３ａからの水の排出は、案内溝５３ａとガス流路との交差角が直角に近いほど迅速に行われるため、険しい山型とされた案内溝５３ａ中央部では、水の排出作用が弱く、端部のほうが排出作用が強くなる。このため、拡散層５３の内の含水率が平均化され、全面において適切な含水率とすることが可能となる。
【００３０】
なお、実施例４では水が案内溝４３ａに沿って案内されるとし、実施例５では、案内溝５３ａに滲み出した水がガス流路に移動し、空気の流れによって排除されるとしたが、どちらの作用が優先して行われるかは、ガス流速、溝の深さ、溝の幅及び溝の形状等によって決定される。このため、ガス流速、溝の深さ、溝の幅及び溝の形状の少なくとも一つを制御することによって、どのような形状の案内溝としたら拡散層内の含水率分布がより均一になるかを決定することができる。
【００３１】
（実施例６）
実施例６は、燃料電池単位セルの幅方向（すなわち反応ガスの流れ方向に対して垂直な方向）の含水率分布が一端側で小さくなる場合において、拡散層内の含水率分布が均一化するための電極である。このような含水率の不均一な分布は、燃料電池単位セルの面方向を重力の方向に置いたとき生じる。拡散層内の水が重力の影響での下方に移動するためである。
この燃料電池の電極は、図８に示すように、カソード側拡散層６３に、空気の流れる方向に向かって凸とされた山型であって、頂上部が幅方向の一端側に偏っている案内溝６３ａが等間隔で並んで形成されている。他の構成は実施例１と同様であり、説明を省略する。
【００３２】
この燃料電池の電極では、カソード側拡散層６３の下側に重力によって溜まった水が案内溝６３ａに滲み出し、さらにガス流路を流れる空気によって案内溝６３ａに沿って重力に逆らいながら上昇する。このため、拡散層６３の内の含水率分布が均一化され、全面において適切な含水率とすることが可能となる。
【００３３】
（実施例７）
実施例７は、実施例１と同様、燃料電池単位セルの幅方向の中央部の拡散層の含水率が、端部の含水率より小さくなる場合において、含水率を均一化するための電極である。
この電極では、図９に示すように、カソード側拡散層７３の幅方向の両端に渡って延在する案内溝７３ａと、カソード側拡散層７３の幅方向の端から途中まで延在する案内溝７３ｂ、７３ｃとが交互に並んで形成されている。換言すれば、カソード側拡散層７３の高含水率の箇所に案内溝７３ａ、７３ｂ、７３ｃが密に形成されている。他の構成は実施例１と同様であり、説明を省略する。
【００３４】
この燃料電池の電極では、カソード側拡散層７３の高含水率の箇所である幅方向の端部に案内溝７３ａ、７３ｂ、７３ｃが密に形成されているため、ガス流路への排水量が多くなる。このため、拡散層７３内での含水量分布が均一化される。
【００３５】
この発明は、上記発明の実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】ＭＰＬが形成された拡散層の製造方法を示す断面図である。
【図２】実施例１に係る燃料電池の電極の平面図である。
【図３】実施例１の燃料電池の電極に係り、図２のＩＩＩ-ＩＩＩ矢視断面図である。
【図４】実施例２に係る拡散層の平面図である。
【図５】実施例３に係る拡散層の平面図である。
【図６】実施例４に係る拡散層の平面図である。
【図７】実施例５に係る拡散層の平面図である。
【図８】実施例６に係る拡散層の平面図である。
【図９】実施例７に係る拡散層の平面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１，１３，２３，３３，４３，５３，６３，７３…拡散層（１３，２３，３３，４３，５３，６３，７３…カソード側拡散層）
１６，１７…セパレータ
３ａ，１３ａ，２３ａ，３３ａ，４３ａ，５３ａ，６３ａ，７３ａ、７３ｂ、７３ｃ…案内溝
１６ａ，１７ａ…ガス流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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